Page 34 - 电力与能源2022年第五期

3 9 6 田 越, 等: 极端高温天气对变压器的影响与冷却方法述评

( 4 ) 增加片式散热器片高、 片间距。文献[ 10 ] 接触面积, 水雾吸热蒸发汽化后带走热量, 降温效
通过对散热器肋片的高度、 长度和间距的合理调 果明显, 但是雾化装置造价较高, 且制作较麻烦。
整, 使散热器的热阻降低, 为设计散热能力强的片 3.3 蒸发冷却
式散热器提供了参考, 为进行片式散热器结构优 变压器蒸发冷却是利用冷却介质的相变吸热
化打下了基础。 来达到降温的效果, 主要是以低沸点制冷剂作为
通过改变散热器布置方法、 结构及片数等方 介质, 利用制冷剂在受热沸腾时产生的汽化潜热,
式提升散热性能, 对变压器结构影响小, 具有制作 将变压器设备产生的热量带走。目前蒸发冷却的
较为简单、 无需额外耗能等优点。然而这些方法 具体做法有喷淋式、 隔离式和浸润式。
均属于主动降温范畴, 降温效率较低, 受环境温度 美国西屋公司在 1985 年设计研制出首台喷
影响较大, 在极端高温天气时环境温度与设备温 淋式蒸发冷却变压器 [ 15 ] , 液态氟碳化合物由泵从

度温差变小, 散热效果会大幅降低。 底部吸收至上方后, 经喷嘴喷射在铁心和绕组表
3.2 喷雾冷却 面, 液体制冷剂与发热面接触后逐渐吸热蒸发, 从
喷雾冷却技术利用相变换热原理, 具有换热 而降低热面温度。蒸发后的蒸汽进入冷凝器凝结
能力强、 冷却液流量小、 均温性好、 过热度小、 临界 为液体, 重新流入箱体底部再次参与循环工作。
-2 ) 等优 1982 年, 文献[ 16 ] 首次使用氟碳化合物作为
热流密度高( 高达数十甚至上百 W · cm
点, 是高热流密度冷却领域最具有竞争力的技术 冷却介质的浸润式蒸发冷却变压器。变压器的绕
之一。 组和铁心全部浸没在制冷剂中, 冷却剂吸收二者
喷雾冷却是通过高压使得制 冷 工 质 进 入 喷 产生的热量后汽化吸热, 蒸汽上升进入冷凝器冷
嘴, 从而形成很小的液滴( 微米量级), 然后以一定 却放热后重新流入箱体内部参与循环。
的速度进行喷射, 冲击加热面。在换热过程中, 制 隔离式蒸发冷却可认为是对传统油浸变压器
冷工质不仅通过显热带走热量, 更大一部分热量 的改良, 其特点是其冷却结构与绝缘部件的相互
通过汽化被带走。因为液滴尺寸非常小, 在接触 分离。通过绝缘油保证变压器的绝缘性能, 利用
到加热表面的瞬间, 大部分液滴就瞬间蒸发, 利用 制冷剂蒸发冷却降温作用吸收油中的热量。 2012
汽化潜热吸收热量。喷雾冷却的效果十分明显。 年我国中科院电工所设计制造了内置冷却管的蒸
喷雾冷却的热均匀性更好, 温度梯度也更小, 能够 发冷却变压器 [ 17 ] , 箱体内利用变压器油作绝缘介
使被加热表面的散热过程达到一个更加稳定、 均 质, 冷却结构为插入箱体内部、 并同外部散热器相
匀的状态。 连的翅片管, 如图 2 所示。其工作过程可以看作
文献[ 11 ] 对喷雾冷却过程进行了试验研究。 为一个两步冷却系统: 变压器油吸收绕组和铁芯
基于喷射高度的有效流量喷雾冷却模型, 将有效 的热量传递给翅片管, 制冷剂在管内受热发生相
流量 G 与出口压力P 独立出来, 分别研究了这两 变使油温降低, 进而降低热源温度; 汽化后的蒸汽
个因素对喷雾冷却过程的影响。 进入散热器冷凝为液体重新进入循环。
文献[ 12 ] 研究了流量对于喷雾冷却换热效果
的影响。通过在试验中改变初始流量的大小, 研
究了不同流量下喷雾冷却过程的换热效果。发现
流量的增大对喷雾冷却换热的作用是正方向的,
流量越大, 工质流速越快, 换热效果越好。
文献[ 13 ] 研究了 喷射角度对换热效果的影
响。文献[ 14 ] 发现喷射角为 0° 时, 制冷效果不理
想, 临界热流密度较小; 随着喷射角度的增大, 临
界热流密度先增大后减小, 该试验条件下的最佳

角度为 30° 。
喷雾冷却具有优良的冷却性能, 水经雾化后 图 2 蒸发冷却示意图
形成微细水汽雾滴, 大大增加了雾滴与散热片的 蒸发冷却具有换热效率高、 降温显著、 冷却温